Бланки документов

Холодная сварка алюминия и меди в электротехнике

Морозов Ю.К., Стройман И.М., кандидаты техн. наук
«Сварка-Контакт-Сервис», Санкт-Петербург, Россия

Начало промышленного применения алюминия в качестве проводникового материала взамен меди относится к пятидесятым годам прошлого столетия.
 
Сразу же выявилось главное преимущество этой замены - большая экономия цветного металла.
 
Одновременно выявился и главный недостаток - трудность обеспечения надежного электрического контакта в разъемных (в основном, болтовых) соединениях алюминия с медью.
 
Как показала практика, такие соединения с течением времени ослабляются. Переходное электрическое сопротивление в них начинает расти. Особенно опасно это при больших токах и напряжениях, а также при эксплуатации электротехнических изделий в активных и агрессивных средах.
 
Как правило, ухудшение контакт Al+Cu происходит не сразу, а с течением времени. Это время может быть достаточно велико; оно может измеряться неделями, а, иногда, даже месяцами.
 
Главная опасность состоит в том. Что время начала ухудшения электрического контакт Al+Cu практически невозможно проконтролировать. Бесконтрольность поведения этого контакта, как показал опыт, может привести к выходу из строя электротехнического оборудования. Известны случаи, когда по вине плохого контакта Al+Cu имели место аварии.
 
Длительное изучение поведения разъемного контакта позволило дать этому явлению научное объяснение. Оно сводится к следующему.
 
Установлено, что при постоянной нагрузке (что всегда имеет место в болтовых соединениях) в ряде случаев ухудшаются физико-механические свойства самого металла - алюминия.
 
Такое явление получило в науке и технике название «ползучесть». Особенно ползучесть алюминия проявляется в разъемных контактах Al+Cu.
 
Попытки улучшить контакт путем нанесения на алюминия слоя серебра к успеху не привели, ибо «ползучесть» при этом не устранилась.
 
В связи с изложенным, болтовое соединение Al+Cu было запрещено Российским Государственным стандартом 10434-82. Согласно требованиям этого стандарта ненадежные болтовые соединения Al+Cu должны быть полностью исключены из практики и заменены надежными болтовыми соединениями Cu+Cu. С этой целью алюминиевые выводы электротехнических изделий надежно оконцовывают медью путем сварки.
 
Однако для соединения этой пары металлов (алюминий  и медь) сварка нагревом либо вообще не применима, либо применима со значительными трудностями.
 
Дело в том, что при нагреве контакта Al+Cu, в нем начинается взаимная диффузия одного металла в другой. При этом в стыке образуется хрупкая интерметаллидная прослойка, заметно понижающая качество самого стыка. Эксплуатационные характеристики этой прослойки - очень низкие. Таким образом, сварка с нагревом не может быть рекомендована для решения задач по соединению алюминия с медью.
 
Единственный путь надежного решения - это применение сварки без нагрева. В этом случае полностью исключается образование хрупкого интерметаллида. Нет нагрева - значит нет диффузии, а, следовательно, нет механизма образования интерметаллида.
 
Поэтому, можно утверждать, что холодная сварка - это самый лучший, самый надежный способ сварки алюминия с медью.
Однако, это утверждение справедливо лишь в том случае, если полученный холодной сваркой контакт Al+Cu стоек и надежен в самых различных условиях эксплуатации электротехнических изделий.
 
Нами был проведен комплекс исследовательских работ по изучению поведения контакта при пропускании через него номинального тока при одновременном воздействии следующих факторов:
  • Длительное прохождение тока в условиях сильного увлажнения;
  • Воздействие гальванической коррозии при сильном увлажнении;
  • Термоциклирование и температурные удары;
  • Воздействие отрицательных температур;
  • Химически активная среда (пары аммиака);
  • Травление серной и азотной кислотами;
  • Вибрационные и усталостные испытания.
 
Критерием качества контакта служила величина переходного электрического сопротивления. Во всех без исключения экспериментах величина этого сопротивления сохранилась. Что свидетельствует о высоком качестве сварного контакта.
 
Падение напряжения, определяющее величину электрического сопротивления холодносварных соединений, стабильно в течение всего времени испытания, в отличие от болтовых соединений, у которых с течением времени происходит резкое увеличение переходного электросопротивления.
 
Холодносварные соединения отличаются высокой механической прочностью. Благодаря наклепу (уплотнению) металла в процессе его пластической деформации прочность холодносварного стыка выше прочности целого металла. Поэтому при растяжении сварной стык не разрушается. Такие стыки успешно выдерживают испытания на изгиб, скручивание, вибрацию.